超音波分散と脱凝集

液体中への固体の分散および脱凝集は、パワー超音波およびプローブ型超音波発生装置の重要な用途である。超音波キャビテーションは、非常に高いせん断力を発生させ、粒子の凝集塊を単一の分散粒子に分解します。局所的に高いせん断力を集中させることができるため、超音波洗浄は、実験、研究開発、そしてもちろん工業生産において、ミルコン・ナノサイズの分散液を製造するのに理想的です。

粉体を液体に混合することは、塗料、インク、化粧品、飲料、ハイドロゲル、研磨媒体など、様々な製品の処方において一般的なステップである。個々の粒子は、ファンデルワールス力や液体の表面張力など、様々な物理的・化学的性質の引力によって互いに保持される。この効果は、ポリマーや樹脂のような粘度の高い液体ほど強くなる。凝集を解き、粒子を液体媒体中に分散させるためには、引力に打ち勝たなければなりません。超音波ホモジナイザーが、研究室や産業におけるサブミクロンやナノサイズの粒子の分散に優れた分散装置である理由は以下の通りです。

固体の液体への超音波分散

超音波ホモジナイザーの動作原理は、音響キャビテーション現象に基づいています。音響キャビテーションは、非常に強いせん断力を含む強力な物理的力を発生させることが知られています。機械的ストレスの印加により、粒子の凝集がばらばらになります。また、液体は粒子間に押し込まれます。
粉体の液体への分散には、高圧ホモジナイザー、アジテータービーズミル、インピンジングジェットミル、ローター・ステーター・ミキサーなど様々な技術が市販されている。しかし、超音波分散機には大きな利点があります。超音波分散がどのように機能し、どのような利点があるのか、下記をお読みください。

超音波キャビテーションと分散の原理

超音波処理では、高周波の音波が液体媒体に圧縮と希薄化を交互に生じさせる。音波が液体を通過する際、気泡が急速に膨張し、その後激しく崩壊します。このプロセスは音響キャビテーションと呼ばれる。気泡の崩壊により、高圧衝撃波、マイクロジェット、せん断力が発生し、大きな粒子や凝集体を小さな粒子に分解することができます。超音波分散プロセスでは、分散液中の粒子自体が粉砕媒体として機能する。超音波キャビテーションのせん断力によって加速された粒子は互いに衝突し、粉砕されて小さな破片になります。超音波処理された分散液にはビーズやパールが添加されていないため、時間と労力のかかる粉砕媒体の分離や洗浄、コンタミネーションが完全に回避されます。
このため、超音波処理は、他の方法では分解が困難な粒子でも分散・脱凝集させるのに非常に効果的です。その結果、粒子の分布がより均一になり、製品の品質と性能の向上につながります。
さらに、超音波処理では、ナノスフェア、ナノクリスタル、ナノシート、ナノファイバー、ナノワイヤー、コアシェル粒子、その他の複雑な構造などのナノ材料を容易に取り扱い、分散させ、合成することができる。
さらに、超音波処理は比較的短時間で行うことができ、これは他の分散技術に比べて大きな利点である。

代替混合技術に対する超音波分散機の利点

超音波分散機は、高圧ホモジナイザー、ビーズミリング、ローター・ステーター混合などの代替混合技術に比べ、いくつかの利点があります。最も顕著な利点は以下の通りです：

• 粒子径低減の改善： 超音波分散機は、他の多くの混合技術では不可能なナノメートル領域まで効果的に粒子径を小さくすることができます。これは、他の多くの混合技術では不可能なことです。このため、超音波分散機は、微細な粒子径が重要な用途に理想的です。
• より速いミキシング： 超音波分散機は、他の多くの技術よりも速く材料を混合・分散させることができるため、時間を節約し、生産性を向上させることができる。
• 汚染はない： 超音波分散機は、ビーズや真珠のような、摩耗によって分散液を汚染する粉砕媒体を使用する必要がない。
• より良い製品品質： 超音波分散機は、より均一な混合物や懸濁液を製造することができ、その結果、製品の品質と一貫性が向上します。特にフロースルー方式では、分散スラリーは高度に制御された方法で超音波キャビテーションゾーンを通過し、非常に均一な処理が保証されます。
• より低いエネルギー消費： 超音波分散機は通常、他の技術よりも少ないエネルギーしか必要としないため、運転コストを削減できる。
• 汎用性がある： 超音波分散機は、均質化、乳化、分散、脱凝集など幅広い用途に使用できます。また、研磨材、繊維、腐食性液体、さらには気体など、さまざまな材料を扱うことができます。

このようなプロセス上の利点に加え、信頼性と簡単な操作性により、超音波分散機は他の混合技術に勝り、多くの産業用途で人気のある選択肢となっている。

フュームドシリカの水中超音波分散：超音波分散前の凝集シリカの粒子径は200ミクロン（D50）以上である。フュームドシリカの超音波分散後、ほとんどの粒子は200ナノメートル以下に減少した。

あらゆるスケールでの超音波分散と脱凝集

Hielscher社は、バッチ処理またはインライン処理で、あらゆる容量の分散および脱凝集のための超音波装置を提供しています。実験用の超音波装置は、1.5mLから約2Lの容量に使用されます。工業用超音波装置は、0.5～約2000Lのバッチ、または毎時0.1L～20m³の流量のプロセス開発および製造に使用されます。

Hielscher Ultrasonicsの工業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現し、ナノスケールの粒子を確実に分散・粉砕します。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が可能です。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。

超音波分散の利点スケールアップが容易

他の分散技術とは異なり、超音波処理は実験室から生産規模まで簡単にスケールアップできる。実験室でのテストにより、必要な装置サイズを正確に選択することができる。最終的なスケールで使用する場合、プロセス結果はラボの結果と同じです。

超音波洗浄機頑丈で洗浄が簡単

超音波パワーはソノトロードを介して液中に伝達される。これは一般的に回転対称の部品で、航空機品質のチタンから機械加工されています。これは唯一の可動/振動接液部でもあります。摩耗しやすい唯一の部品であり、数分で簡単に交換できます。オシレーションデカップリングフランジにより、ソノトロードを開閉可能な加圧容器やフローセルに任意の向きで取り付けることができます。ベアリングは不要です。その他の接液部はすべてステンレス製です。フローセルリアクターはシンプルな形状で、洗浄や拭き取りなどの分解洗浄が容易です。小さなオリフィスや隠れたコーナーはありません。

超音波洗浄機の設置

超音波は、表面洗浄や部品洗浄などの洗浄用途でよく知られている。分散用途に使用される超音波強度は、一般的な超音波洗浄よりもはるかに高い。超音波装置の接液部の洗浄に関しては、超音波/音響キャビテーションがソノトロードやフローセル壁から粒子や残留液体を除去するため、超音波パワーはフラッシングやリンス時の洗浄補助に使用できます。

文献・参考文献